Étude numérique, par la méthode de Boltzmann sur réseau, et expérimentale des caloducs utilisés dans les applications solaires

Numerical and Experimental Study of Heat Pipes Used in Solar Applications

• Auteur / Autrice : Kods Grissa
• Direction : Yves Bertin, Adel Mustafa Benselama, Abdelmajid Jemni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 18/12/2018
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique en cotutelle avec École nationale d'Ingénieurs de Monastir (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Souad Harmand, Ezeddine Sediki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdulmajeed A. Mohamad, Mohamed Chaker Zaghdoudi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement en milieux poreux

Modélisation CFD

Transfert de chaleur

Caloducs

Énergie solaire

Développement durable

Mots clés libres

Méthode de Lattice-Boltzmann

Thermosiphon

Lattice-Boltzmann method

Thermosiphon

Résumé

En raison de la tendance positives pour le développement durable, les systèmes solaires(capteurs solaires, concentrateur solaire, etc.) Intègrent (et demandent d'intégrer encore plus)intensivement les résidences et les industries. Dans ce contexte, les systèmes diphasiques comme le caloduc semblent être très efficaces en raison de leurs capacités élevées de transport de chaleur et de leur fonctionnement passif appliqués aux capteurs. Compte-tenu de la complexité des caloducs à structure poreuse dans ce type d'application, la plupart des systèmes existants sur le marché utilisent des thermosiphons. Ainsi, le besoin croissant de solutions de contrôle thermique fiables et plus efficaces croit rapidement pour de tels systèmes.Ce travail de thèse porte sur la caractérisation des performances des caloducs à structure poreuse utilisés dans les applications solaires. Une étude numérique a été réalisée pour modéliser et simuler le comportement d'un caloduc typique à l'aide de la méthode Lattice Boltzmann. Une étude expérimentale a également été réalisée pour caractériser les performances de trois prototypes testes dans différentes conditions (température du condenseur, puissance introduite et angle d'inclinaison). Les effets induits par plusieurs paramètres incluant le taux de remplissage, le fluide de travail et la symétrie de la puissance appliquée sur les performances de ces dispositifs ont également été étudiés. En particulier, l'asymétrie du chauffage induit un assèchement plus précoce, toutes choses étant égales par ailleurs. L'inclinaison optimale est également déterminée là où est équilibrée la chaleur solaire maximale disponible et reçue par le caloduc et l'écoulement de liquide assisté par gravité à l'intérieur de ce dispositif.

Owing to the trend to development sustainability, solar systems (solar collector, solar concentrator, etc.) Are integrating (and asked to integrate even more) intensively residences and industries. In this context, two-phase systems like heat pipe seem highly effective because of their high heat transport capabilities and their passive operation in collectors’ technology. In view of the complexity of the heat pipes with a porous structure in this kind of application,most of the existing systems on the market use thermosyphons. Thus, the growing need of reliable and more efficient thermal control solutions is increasing for such systems. This thesis work focuses on the performance characterization of heat pipes with porous structure used in solar applications. A numerical study has been performed to model and simulate the behavior of a typical heat pipe using the Lattice Boltzmann method. An experimental study has also been done to characterize the performance of three prototypes tested under different conditions (condenser temperature, heat input and inclination angle). The effects induced by several parameters including the filling rate, working fluid and symmetry of the applied heat on the performance of these devices has also been investigated. In particular, heating asymmetry is found to induce dry-out earlier, all other things being equal. Optimal inclination is also determined where is balanced the maximum solar heat available and received by the heat pipe and the gravity-assisted liquid flow inside that device.